一種加速度測量方法和水銀加速度傳感器與流程

本發明屬于加速度檢測領域，具體地涉及一種加速度測量方法和水銀加速度傳感器。

背景技術：

加速度傳感器是一種用來測量運動物體加速度值的器件。加速度傳感器廣泛應用于汽車工業、航空業、機械振動分析等。

加速度傳感器的工作原理一般是：當慣性質量受到外界加速度作用時，質量就會產生位移，進而換算得到加速度。和其他傳感器一樣，加速度傳感器通過其他容易測量到的量來間接得到難以直接測量到的加速度。在結構上大都是由彈性敏感元件、檢測電路、殼體及輔助結構3部分組成，參考：高g值微機械加速度傳感器的現狀與發展，儀器儀表學報，2008,29(04)：892-895。

現有的加速度傳感器直接測量慣性質量相對位移或間接檢測彈簧變形量，最后通過一系列的轉換關系得到被測物體的加速度值。一般加速度傳感器分為壓阻式、壓電式、電容式和熱對流式，參考：高沖擊加速度傳感器發展現狀及趨勢，探測與控制學報，2013,35(04)：6-10，這些類型的加速度傳感器采用微機械工藝設計，具有微型化的特點，但是這些類型的加速度傳感器設計復雜、材料種類要求嚴格且制造成本相對較高，此外，在某些大沖擊或高負載的惡劣情況下，不適合使用。

技術實現要素：

本發明的目的在于為解決上述問題而提供一種利用水銀的慣性和導電性質進行設計，從而對材料要求不高、設計簡單、可微型化、成本低且適用在某些大沖擊或高負載的惡劣情況的加速度測量方法和水銀加速度傳感器。

為此，本發明公開了一種加速度測量方法，在徑向上設置兩對電極對,且兩電極對分別被加載極性相反的電壓，在兩對電極對之間設置兩個水銀柱,使這兩個水銀柱被一絕緣體間隔并絕緣，且使該絕緣體在徑向上不能發生長度變化,同時使兩個水銀柱均能分別與兩對電極對部分接觸,而將電極對之間的電極通過水銀柱電連接起來，設置方向垂直于徑向且貫穿水銀的磁場，當在徑向上有加速度分量產生時，兩個水銀柱及絕緣體同步地在徑向上發生位移，分別改變了兩對電極對內水銀柱與電極對的接觸面積，通過分別檢測兩對電極對的電阻變化情況，換算得出在徑向上的加速度；當在徑向上沒有加速度時，水銀柱通過流經其中的電流在磁場中獲得的洛侖茲力作用下復位。

進一步的，在兩對電極對上施加相同的電壓值，檢測分別流經兩對電極對的電流大小變化情況，以換算得出加速度。

進一步的，采用差分電路檢測分別流經兩對電極對的電流大小變化情況，以換算得出加速度。

本發明還公開了一種水銀加速度傳感器，包括密封的絕緣管、設置在絕緣管里面的兩個水銀柱、設置在兩個水銀柱之間的與水銀不相溶的絕緣液體柱、兩對電極對和磁場產生裝置，所述兩個水銀柱和絕緣液體柱不充滿絕緣管，所述兩對電極對分別設置在絕緣管內的兩端，所述兩對電極對分別與兩個水銀柱部分接觸并分別與外接電源連接構成兩個導電回路，所述兩對電極對的電流的流向相反且都垂直于絕緣管徑向，所述磁場產生裝置設置在絕緣管外，其產生的磁場貫穿絕緣管并與絕緣管徑向垂直。

進一步的，所述絕緣管為真空管，內腔面為光滑面。

進一步的，所述絕緣液體為甘油。

進一步的，所述電極對為兩片相對設置的金屬片，所述金屬片為與絕緣管內腔相匹配的弧形金屬片。

進一步的，還包括兩端開口的外殼、夾持塊和封蓋，所述絕緣管通過夾持塊懸空固定在外殼內，所述磁場產生裝置設置在外殼內，并通過夾持塊固定設置在絕緣管外，所述封蓋封住外殼的開口。

進一步的，所述兩對電極對分別與同一個電源連接。

進一步的，還包括差分電路，所述兩個導電回路的輸出端分別接差分電路的兩個輸入端。

本發明的有益技術效果：

本發明利用水銀的慣性和導電性質進行設計，采用差分的原理對流經水銀的電流進行對比處理，進而換算得到加速度值，對材料要求不高、設計簡單、可微型化、制造簡便、成本低、檢測精度高且適用在某些大沖擊或高負載的惡劣情況。

附圖說明

圖1為本發明實施例的結構示意圖；

圖2為本發明實施例的內部結構示意圖；

圖3為本發明實施例的縱剖示意圖；

圖4為本發明實施例的夾持塊示意圖；

圖5為本發明實施例的簡化電路連接示意圖。

具體實施方式

現結合附圖和具體實施方式對本發明進一步說明。

一種加速度測量方法，在徑向上設置兩對電極對，且兩電極對分別被加載極性相反的電壓，在兩對電極對之間設置兩個水銀柱，使這兩個水銀柱被一絕緣體間隔并絕緣，且使該絕緣體在徑向上不能發生長度變化，具體的，將兩對電極對的規格設置為相同，兩絕緣體為絕緣液體柱，液體優選為甘油。同時使兩個水銀柱均能分別與兩對電極對部分接觸,而將電極對之間的電極通過水銀柱電連接起來，設置方向垂直于徑向且貫穿水銀的磁場，當在徑向上有加速度分量產生時，兩個水銀柱及絕緣體同步地在徑向上發生位移，分別改變了兩對電極對內水銀柱與電極對的接觸面積，通過分別檢測兩對電極對的電阻變化情況，換算得出在徑向上的加速度；當在徑向上沒有加速度時，水銀柱通過流經其中的電流在磁場中獲得的洛侖茲力作用下復位。

具體的，在兩對電極對上施加相同的電壓值，通過檢測分別流經兩對電極對的電流大小變化情況，以換算得出加速度。本實施例中，可以將兩對電極對連接到同一個電源上，以保證電壓完全相同。

進一步的，采用差分電路檢測兩對電極對的電流大小變化情況，換算得出加速度。采用差分電路，可以得到更大的信號輸出，檢測精度更高。

如圖1至圖5所示，本發明還公開了一種水銀加速度傳感器，包括密封的絕緣管1、設置在絕緣管1里面的兩個水銀柱3(兩個水銀柱3位于絕緣管1的兩邊)、設置在兩個水銀柱3之間的與水銀不相溶的絕緣液體柱4、兩對電極對2(本具體實施例中，為了使換算更簡便，兩對電極對2優選為規格相同)和磁場產生裝置7。本具體實施例中，絕緣管1為玻璃管，當然也可以是由其它絕緣 材料如陶瓷制成的管子，玻璃管1的管徑需小到一定的程度，使水銀與玻璃管1內腔壁的表面張力與所受的重力平衡，能維持柱狀，即水銀柱3的直徑等于玻璃管1的內腔直徑，玻璃管1為真空管，其內腔面為光滑面，減少水銀柱3在玻璃管1內移動的摩擦力，提高檢測準確度。絕緣液體優選為甘油，當然，在其它實施例中，也可以是其它絕緣的與水銀不相溶的液體。磁場產生裝置7為兩塊由強磁性永磁體制成的磁板。

所述兩個水銀柱3和絕緣液體柱4不充滿玻璃管1，即當兩個水銀柱3和絕緣液體柱4處在初始位置時，兩個水銀柱3分別與玻璃管1的兩端還有一段距離。所述兩對電極對2分別設置在玻璃管1內腔的兩端，且當兩個水銀柱3和絕緣液體柱4處在初始位置時，兩對電極對2分別與兩個水銀柱3部分接觸且接觸面積相同并將電極對2內的電極電連接起來，兩對電極對2分別通過導線與外界的電源VCC連接構成兩個導電回路，所述兩對電極對2的電流的流向相反且都垂直于玻璃管1的徑向，兩個導電回路的電流輸入到差分電路11的兩個輸入端，差分電路11的輸出端輸出兩個導電回路的電流差值。本具體實施例中，電極對2為兩片相對設置的金屬片，所述金屬片為與玻璃管1內腔相匹配的弧形金屬片。兩對電極對2可以是分別連接到兩個電壓相同的電源VCC上，當然，為了保證電壓完全相同，使檢測準確度更高，兩對電極對2分別與同一個電源VCC連接，但極性相反，如圖5所示。

進一步的，還包括兩端開口的外殼5、夾持塊6和封蓋9，所述玻璃管1通過夾持塊6懸空固定在外殼5內，本具體實施例中，夾持塊6由絕緣材料制成，數量為4塊，玻璃管1的兩端分別由兩塊夾持塊6夾持固定，夾持塊6上設有與玻璃管1端部相匹配的凹槽61，用于套住玻璃管1的端部，夾持塊6上還設置有讓導線穿過的通孔62，所述磁板7設置在外殼1內，并通過夾持塊6支撐 固定設置在玻璃管1的上下外表面，所述封蓋9封住外殼1的開口，采用螺釘10進行固定，封蓋9設有安裝部，安裝部上設有用于安裝的螺孔，在封蓋9與加持塊6之間設有墊片8，用于將夾持塊6頂緊，防止其移動。

檢測過程：

接通兩對電極對2的電源VCC，當沒有加速度時，兩個水銀柱3與兩對電極對2的接觸面積相同，流經兩個導電回路的電流大小相同，差分電路輸出值為0；當有加速度時，兩個水銀柱3在慣性作用下會產生位移，使其中一個水銀柱3與電極對2的接觸面積增大，進而使流過該導電回路的電流增大；另一個水銀柱3與電極對2的接觸面積減小，相應導電回路中流過的電流減小，差分電路輸出兩個導電回路的電流差值，經過一定換算關系即可得到加速度值。當加速度消失后，由于兩個水銀柱3的電流大小不一致且方向相反，在磁場中產生相對而不相等的洛倫茲力，在洛倫茲力的作用下，兩個水銀柱3向初始位置移動，直到回到初始位置，兩個水銀柱3達到力平衡，不再移動。

上述實施例采用檢測兩個導電回路的電流變化情況，來換算得到加速度，但不限于此，在其它實施例中，也可以對兩個導電回路施加恒流源，通過檢測兩個導電回路的電壓變化情況，來換算得到加速度。上述實施例采用差分電路來檢測兩個導電回路的電流變化情況，使得輸出信號更大，檢測精度和準確度更高，但在其它實施例中，也可以沒有差分電路，直接檢測兩個導電回路的各個回路的電路變化情況，再進行換算得到加速度。上述實施例采用流經水銀的電流再磁場的洛倫茲力使水銀復位，當然，在其它實施例中，也可以使用重力使水銀復位。

盡管結合優選實施方案具體展示和介紹了本發明，但所屬領域的技術人員應該明白，在不脫離所附權利要求書所限定的本發明的精神和范圍內，在形式 上和細節上可以對本發明做出各種變化，均為本發明的保護范圍。